[论文解读] Unconventional Superconductivity in Correlated, Multiband, and Topological Systems

Grgur Palle|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

本论文研究关联、多带及拓扑体系中的非传统超导性，提出一种在拓扑狄拉克体系（如Bi2Se3）中由宇称混杂与自旋-轨道耦合驱动的新配对机制。研究表明，在此类体系中，偶极子电子-电子相互作用可诱导非传统超导性，而无需强关联或量子临界性，从而产生虽低但稳健的Tc及类似d波的配对对称性。

ABSTRACT

In this thesis, we theoretically examine the pairing mechanisms and the identification of the pairing symmetry of unconventional superconductors whose normal states are correlated, multiband, or topological. In the first part, we investigate whether fluctuating intra-unit-cell loop currents can drive unconventional superconductivity. For general systems, we find that even-parity loop currents are not an effective pairing glue, whereas odd-parity loop currents, such as those proposed to explain the cuprates, are strong pair-breakers, suppressing rather than enhancing Cooper pairing. By employing the same methodology, we also analyze quantum-critical pairing due to other intra-unit-cell orders. For cuprates, we review the evidence for intra-unit-cell loop currents in the pseudogap, we classify the possible loop-current and particle-hole orders in the Emery model, and we analyze the pairing due to the various possible loop-current orders. In the second part, we present a novel electronic pairing mechanism that is based on electric monopole-dipole interactions. We show that these interactions become enhanced in quasi-2D systems with strong parity-mixing and spin-orbit coupling, such as doped Bi$_2$Se$_3$ or SnTe, and that they induce unconventional odd-parity superconductivity. In addition, we establish that the proposed pairing glue is measurable in the out-of-plane optical conductivity. In the last part, we reexamine the pairing symmetry of Sr$_2$RuO$_4$ in light of recent experiments. By theoretically analyzing recent $T_c$ and elastocaloric measurements under uniaxial stress, we demonstrate that the pairing state includes $s$, $d_{x^2-y^2}$, or body-centered $d_{xz} + i d_{yz}$ admixtures and that a bulk two-component superconductivity requires a great deal of fine-tuning to be consistent with ultrasound experiments.

研究动机与目标

• 解决掺杂Bi2Se3中非传统超导性的谜题，该体系缺乏强关联或邻近竞争序的特征。
• 探究拓扑能带结构特征（特别是自旋-轨道耦合与宇称混杂）是否能驱动非传统配对。
• 确定此类体系中的电子-电子相互作用是否可在不依赖自旋涨落或强关联的情况下导致超导性。
• 研究环流在量子临界态（尤其是铜氧化物）中作为配对媒介的作用。
• 利用近期关于Sr2RuO4超导能隙结构的实验数据，约束其配对对称性。

提出的方法

• 基于BCS理论，对环流（LC）序在量子临界点（QCP）附近的量子临界涨落进行现象学分析，重点关注原胞内LC涨落。
• 对铜氧化物的三轨道（埃米尔）模型中的所有可能原胞内序进行分类，包括LC、向列序、铁磁序及反铁磁序。
• 推导具有强自旋-轨道耦合与宇称混杂体系中的有效电子-电子相互作用，特别强调偶极子贡献。
• 利用二次量子化与群论分析配对对称性，特别关注媒介规范玻色子的时间反演与宇称性质。
• 应用Bogoliubov准粒子干涉分析，并与扫描隧道显微镜（STM）数据对比，以约束Sr2RuO4中的能隙对称性。
• 基于有效屏蔽下偶极子相互作用强度，对狄拉克体系中的超导转变温度（Tc）进行数值估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高温超导体中，量子临界点附近的环流涨落能否介导库珀对的形成？
• RQ2 为何偶宇称环流无法增强超导性，而奇宇称环流反而会抑制超导性？
• RQ3 在具有自旋-轨道耦合与宇称混杂的拓扑狄拉克体系中，电子-电子相互作用能否导致非传统超导性？
• RQ4 在费米面上具有有限电偶极矩密度的体系中，偶极子相互作用在配对生成中起何作用？
• RQ5 基于近期STM与热导率测量结果，Sr2RuO4最可能的配对对称性是什么？

主要发现

• 在量子临界点附近，偶宇称环流无法增强库珀对的形成；配对强度保持不变或减弱。
• 奇宇称环流强烈抑制超导性，与它们在铜氧化物赝能隙相中作为配对媒介的假设相矛盾。
• 在所有原胞内序中，仅向列序、铁磁序与反铁磁序涨落在QCP附近能增强超导性，这是由对称性约束所致。
• 在具有强自旋-轨道耦合与宇称混杂的体系中，费米面获得有限的电偶极矩密度，导致偶极子电子-电子相互作用增强。
• 此类体系中的偶极子相互作用可驱动非传统超导性，即使在无强关联条件下，Tc也可估算至几开尔文。
• 在Bi2Se3等狄拉克体系中提出的机制，为实现无需量子临界性或局域关联的非传统配对提供了可行路径。